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上海地鐵4號線工程設計與施工新技術

2023年09月26日

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【摘 要】地鐵4號線工程在上海軌道 交通 規劃網中的地位舉足輕重,本文結合該工程的建設情況,簡單介紹了方案中線路設計、換乘方式和盾構穿越地下牆時所體現的新思路。詳細 總結 了車站施工和盾構推進過程中為保護周圍環境和控制地層移動,所採取的一系列 科學 合理的新技術和新措施。
【關鍵詞】地鐵車站 「八」字形線路 換乘方式 玻璃鋼纖維(GFRP) 凍結法施工 盾構上下重疊推進遠程監控系統
1 前言
根據上海城市2050遠景總體規劃,最終規劃軌道交通線路總長562Km,共21條軌道交通線,其中地鐵11鐵,輕軌10條。絕大多數成放射狀,而明珠線二期(M4)與明珠線一期(M3)西部線路相結成環,是軌道交通系統中唯一的城市環線。它是聯繫其他線路的紐帶,其主要功能是將其他軌道線路聯繫起來,使整個上海軌道交通網成為一個有機的整體。對於現階段來說,地鐵4號線首先要與已建的1號線、2號線、明珠一期線西部線路接軌,形成「申」字形軌道交通 網絡 的基本骨架。本文將主要介紹地鐵4號線工程建設過程中的設計及施工不同於以往的一些新的技術特點,以供交流。
2 地鐵4號線工程概況
2.1 線路規模和走向
地鐵4號線工程線路全長22.032KM,其中高架線1.25KM,其餘均為地下線。共設17座車站,其中地下一層半站2座,地下二層站10座,地下三層站5座,平均間距為1.238KM。設停車場1座。M4工程線路走向為:M3寶山路站——溧陽路——臨平路——長陽路——楊樹浦路——浦東大道——張楊路——浦電路——藍村路——浦東南路——南浦大橋——西藏南路——魯班路——大木橋路——東安路——天鑰橋路——上體場路——宜山路——M3虹橋路站。如圖1所示。
圖1 上海軌道交通地鐵4號線工程線路示意圖
2.2 建設工期及工程籌劃
本工程建設年限為2000年初~2004年底,2004年底建成試通車,2005年完成運行設備調試,建設總共期為5年。各工程項目建設進度如表1所示,盾構的工程籌劃如圖2 所示。
表1 地鐵4號線工程項目建設進度表
2.3工程地質與水文地質條件
沿線地鐵車站一般埋深10~20m,基坑內土性以第①層填土、第②1層褐黃色粉質粘土、第②3層灰色砂質粉土、第③層灰色淤泥質粘土、第④層灰色淤泥質粘土為主。沿線區間隧道埋深一般在14~21m,隧道主要穿越第④層灰色淤泥質粘土以及第⑤1層灰色粘土為主。
淺部土層中潛水埋深淺,一般離地面0.3~1.5m,年平均地下水位離地面05~0.7m;第②3、③2、⑤2層地下水具有微承壓水特徵;⑦1、⑦2層中的地下水,為承壓含水層,承壓水頭離地面埋深5.0~18.0m。
3 設計新特點
地鐵4號線工程作為上海地鐵規劃中最重要的環線,城市平面投影完全落在內環線以內的中心城區,與已建、在建、將建地鐵線有眾多的交叉換乘,是上海地鐵交通實現輻射功能的中樞,其是一個龐大的系統工程,涉及建築、結構、機電、車輛、通信、信號、環控等多個方面。
3.1線路設計特點
1)成環,包括共環與獨立成環。在初期運營時(2005-2015年),地鐵4號線與已建好的明珠一期成環共營,遠期(2030年以後)再考慮獨立成環,中期階段(2015-2030)考慮兩者共存。由於前者17個車站全為地下,後者9個車站全為高架車站,針對不同時期的運營要求,既要考慮與明珠一期的設施與界限的兼容性,又要考慮今後的升級,這就意味著,地鐵4號線的線路設計,是一個承前啟後的設計,需要從建築、結構、機電、信號、通信等多個方面考慮不同階段的要求,關係是相當複雜的;
2)障礙條件多,線路設計限制多。上海屬於典型的軟土地區,又是 中國 工業 化、城市近代化最早的城市,也是近十年來中國 發展 最快、城市基本建設投入最大的城市之一,地下新老構築物眾多,且存在很多不明障礙物,地面高層建築、交通市政設施繁多,因地質條件差,大多地面建築、構築物都採用樁基(包括近年建造的多層和小高層),加之地鐵4號線正好全部建在繁華的中心城區的地下,線路選擇的一個基本原則是逢樁就讓,遇到不可克服的障礙物也要讓,這就決定了要最終選定一個符合功能要求的、滿足車輛運行的、 經濟 合理的路線是多麼不容易的事情。
3)小半徑區間多。產生小半徑區間,一種原因是成環本身就決定的,因為從虹橋路站轉到寶山路站的環轉向近270度,由於某些轉角偏大,甚至形成了曲線車站,如上體場車站;另一種原因,就是由於許多障礙物的限制導致的,比如從宜山路站、上體場站到蒲匯塘停車場方向去的線路,在不到1公里範圍內其連續穿過明珠一期高架及內環高架的數個橋墩之間,由此產生了許多小半徑區間及緩和曲線,半徑最小的才150米,大的不過300米。過小的半徑對盾構施工及車輛運行的要求都較高。
4)橋隧結合。正是由於前述地下線路與高架線路成環的特點,形成標高上的過渡,導致線路「上天入地」,在地鐵4號線工程的兩個端頭,形成橋樑、隧道過渡(中間還有暗埋與光柵坡段)的線路特點。
5)局部線路上下變位重疊。在地鐵4號線工程的浦東南路站-南浦大橋站區間及南浦大橋-西藏南路站區間,由於南浦大橋站周圍存在密集的橋墩橋基(長樁),使得線路接近南浦大橋站時,水平方向空間不足,不得已改變線形,在近南浦大橋兩端頭井的二百多米範圍內,兩區間線路垂直重疊,用垂直空間換水平空間,形成地鐵4號線一大特色。由於這個原因,其會形成南浦大橋站的上下重疊的側式站台,並導致區間盾構施工的諸多難度。
6)局部線路「八」字形
地鐵4號線工程停車場選址於中山西路以西蒲匯塘以北處,其出入線以「八」字形分別在上海 體育 場站和宜山路站與正線接軌,見圖3。出入場線右線接軌於宜山路站南端上、下行正線,然後線路以R=250m曲線跨下行正線後,穿過中山西路,在中山西路南側設盾構工作井。此後線路採用明挖法,線路以R=150m的曲線接入車場。出入場左線接軌於上海體育場站西端下行正線出入場左線,隨後以R=300m曲線下穿凱花公寓樁基,下穿中山西路,最後線路再以R=300m曲線折向出入場右線,與出入場右線並行接入車場。
3.2多種站型
地鐵4號線的線路設計特點,從一定程度上決定了車站對站台的選擇。多數車站為島式站台車站,而象臨平路車站,則為島側式站台車站,而由於前述的原因,在南浦大橋車站形成了上下重疊式側式站台車站。從車站層數來說,由於標高的變化、地下開發及處理與其他地鐵線路的關係等原因,形成以二層車站為主,兼有一層半(如溧陽路車站)及三層(如上體場車站,浦東南路車站)車站。
3.3換乘點多,換乘方式多樣
地鐵4號線線路的走向及其功能決定了其勢必與規劃路網中的諸多地鐵、輕軌交通線相銜接,形成較多換乘點,17個車站中有11個車站與其他線路形成換乘,而在寶山路及虹橋路接軌段,實現與明珠一期的共線換乘。本工程以既定的規劃路網為依據,因地制宜採取了多種換乘形式,如表2所示:
3.4 根據地鐵現狀及規劃,解決連接設計
正是由於地鐵4號線的環狀、與其他線路多個相交的特點,需要解決其與已有線路、在建的及規劃線路的連接 問題 。1)對於已有線路,地鐵4號線在1好線上體館車站處與上體館車站實現T型換乘連接,前者的站台層穿過後者的站層下方,形成新老一體化結構。設計上採用了托換樁梁的 方法 對老車站結構的荷載托換,通過設後澆帶的形式解決新老結構變形協調的問題,通過冰凍礦山法對穿越段進行穿越設計,形成了地鐵4號線設計問題中最難的結構設計問題;在2好線東方路站,地鐵4號線的張楊路站與2好線實現平行換乘,並利用東方路站的老地下連續牆結構作為圍護及支撐受力結構,對既有線路的 影響 也是非常之大的,形成地鐵4號線工程設計中又一突出的結構問題。2)對於在建線路,如地鐵4號線與M8線在西藏南路站十字相交,由於兩線具有同步實施的條件,則在此站採取了統一設計的方法,圓滿解決二者的連接。3)對於規劃線路,主要採取預留連接措施的辦法。如對於宜山路車站,由於其與R4線相交,R4線盾構將在宜山路車站建成後,在車站底板下穿過,為方便以後盾構的成功穿越,在穿越處地下牆下部11.8米深度範圍,採用玻璃鋼纖維(GFRP)代替鋼筋並採用低標號砼(C10)的設計方案;又如東安路車站,由於其與規劃中的M7線相交換乘,因此在設計東安站時就預先考慮了十字換乘而在換乘段採用三層結構,以方面今後新老線路的順利連接。
3.5 考慮適當開發
土地與地下空間資源都是寶貴的不可再生資源。地鐵4號線設計根據上海市的發展階段與水平,適當地考慮了地下空間開發及與周邊的聯合開發。如在浦東南路站、西藏南路站、張楊路站都有數千平方米的地下空間開發量,而在臨平路站,則考慮了與周邊房地產聯合開發設計的可能性。對於土地開發,由於停車場需要占用大量的土地,如果象老的地鐵線路一樣,辟出專門土地只用於停車場之用,則非常浪費,因此,地鐵4號線工程停車場考慮了相當量的物業開發,擬在地面一層建造停車場,停車場上部通過巨型框架結構及大厚板轉換層進行物業開發及景觀設計,等於再造了相當於停車場用地的土地面積,必將獲得巨大的 社會 經濟效益。這方面的嘗試與經驗,完全可以用作對以前單純停車場的物業改造。
3.6 土建結構及設備方面不拘一格
1)圍護設計:採用多種圍護結構,有地下連續牆(800與600),SMW牆;多種接頭形式(預製接頭樁,鎖口管柔性接頭,十字鋼板剛性接頭);並對封堵牆加以靈活 應用 ,一般說來,封堵牆在翻交過程中應用較廣,而在張楊路車站中,其被用來切割大基坑為小基坑,通過4堵封堵牆將長條形深基坑分成5塊,大大降低了基坑施工的風險;
2)用時空效應指導挖土、支撐設計。由於上海的土層基本上屬於第四紀海積相軟土,土的蠕變效應明顯,因此設計將時空效應引入為設計參數,對規範基坑施工及減少環境影響,起到很好作用;
3)永久結構採用雙牆與單牆形式。一般說來,上海由於地下水位高,多採用雙牆車站形式。近年,由於地下連續牆施工水平的提高,為地下連續牆作為永久結構提供了技術上的保證,因此在地鐵4號線的某些車站(大木橋路、東安路及天鑰橋路)採用了單牆結構,效果也不錯;
4)連續的結構變化:由於地鐵4號線的線路特點,對某些車站、區間都出現了從地下暗埋到地面甚至高架的連續的結構變化。對於車站,如宜山路車站,車站長度達600多米,包括暗埋、明挖基坑、光柵爬坡及高架橋樑等連續結構變化段;對於區間:如宜山路-虹橋接軌站的下行線,中漕井到葡萄糖廠到停車場的出入場線等,出現盾構區段、明挖爬坡及高架橋樑等連續結構變化段。這些對接頭過渡部分的設計有較高要求。
5)設備上的突破。採用西門子的前推平開式車輛,使地鐵4號線的車站的限界設計與以往平開式車輛有所區別;對於車站結構,考慮到乘客安全、分區環控及節能要求,還採用屏蔽門設計。
4 施工新特點
4.1 從順作法到逆作法、框架逆作法及蓋挖逆作法
地鐵4號線工程的絕大多數車站均採用順作法施工,局部翻交段採用了逆作法,而只有東安路車站採用了全逆作法施工。採用順作法的代價是占用道路,犧牲城市交通效率,在象上海這樣繁忙的大都市,實在是不得已而為之。而通過東安路逆作法的實踐,發現期費用及工工期並未增長,而對周邊環境保護相當有利,鄰近2.5米處有一2層、天然地基的線性加速器房要保護,施工最大差異沉降不到1/1000,滿足特級保護要求。費用未見增長,是因為施工水平的進步及小型挖機的合理高效利用,環境保護好得益於逆作法化深大基坑為淺小基坑的作用,而對於高溫天氣,頂板以下的砼施工及養護的環境也是相當有利的。當然,全蓋逆作法,有一個材料運輸面狹窄的問題。而在浦東南路-南浦大橋區間的過江風井,採用框架逆作法,將可克服這個缺點。對於上海,因為採用封交或翻交的方法,代價是較大的,而市政府將嚴格控制地鐵施工對道路的影響與占用,這就極有可能將逆作法、框架逆作法甚至蓋挖逆作法大量推到地鐵建設的前台。
4.2 盾構技術的新進展
上海1,2號線所採用的FCB盾構仍然在地鐵4號線工程中應用,還是採用通縫拼裝。但是,地鐵4號線工程也從日本三菱公司進口了4台新的盾構,採用1200*300mm的薄管片,錯縫拼裝,整體剛度較通縫拼裝要高。從投入使用的效果來看,防水效果好,工作效率高,縱橫沉降小,對周邊環境影響不大。應當作為上海今後盾構應用的一個方向。也有遇到盾構覆土相當淺的情況(只有盾構直徑的一半),對此採用壓重的方法,取得較好的效果。此外,在用9號盾構開挖浦東南路-南浦大橋上行區間時,採用機械式履帶運土代替軌道運土,管片與土方分道,效率大幅度提高,最高每天推進21環,有著很好的應用前景。
4.3 臨近施工及構(建)築物保護
對於車站,由於上海房屋密集,車站圍護距民房過近,有的接近零距離。簡單施工不可避免會對民房的結構安全和正常使用帶來影響。在外圍採用樹根樁等隔離保護,並充分發揮時空效應,取得了較好效果。對於區間,一般上、下行線距離都較近,為了避免二區間同時施工的影響,同向推進時,採用一先一後方式,如浦東大道-張楊路區間,採用6號、7號盾構同向推進,間隔200環以上,可以保證效果;若採用掉頭盾構,則基本無影響;有相當極端的情況,如楊樹浦路站-浦東大道站區間與相連的大連路隧道同時施工,區間最近距離僅十幾米,由於二者均採用較先進的新盾構,相互干擾相對減小,過於臨近並未產生不良影響;魯班路-西藏南路區間與盧浦大橋浦西段橋樁距離同樣很近,區間施工時,盧浦大橋的橋墩鑽孔樁也在施工,由於區間採用新的12號盾構施工並加強監測與協調,二者並未產生不利影響;南浦大橋兩端頭區間採用重疊盾構施工,採用先下後上,一先一後的方式,進展順利。在構(建)築物保護方面,針對保護對象的特點,因物制宜,也積累了可貴的工程經驗。以宜山路站的明珠一期保護和南浦大橋兩端重疊隧道後行施工對對先行隧道保護為例進行說明。

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